向西方學習，當然以出國留學為最直接、簡便的途徑，但中國人留學之路卻是格外艱難和曲折。鴉片戰爭後，清政府未派留學生出國，但東南沿海已有傳教士開辦新式學堂，讓一些窮苦學生就讀，傳教士歸國時，也會順便帶學生出國，容閎（1828—1912年）就是這樣到美國留學。同時在興辦洋務過程中，洋務派也感到有必要派留學生出國學習，因此，曾國藩、李鴻章在十九世紀七十年代初，多次上奏朝廷，提出派留學生的建議，終被批准，開始了現代中國人出國留學的國家政策。以後留學生愈來愈多，對中國社會、文化、中外交流，都起了重要作用。

當時人普遍認為，出國留學有辱祖宗門楣，因此比較富裕的人，根本不願意讓子弟留洋，窮苦人家也感到漂洋出國很可怕。有一位留美幼童回憶說：「當我還是小孩子時，有一天，一位官員來到村裏，拜訪各住戶。看哪一家父母願意把兒子送到國外，接受西方教育，由政府負責一切費用。有的人申請了，可是後來鄉人散佈流言，說西方野蠻人會把他們的兒子活活剝皮，再把狗皮接種到他們身上，當怪物展覽賺錢，因此報名的人又撤銷。」由此可見，留學事業舉步維艱。因為時人不僅認為出國留學很丟臉，而且是很可怕的事，往往要簽「生死合同」。詹天佑出國時，父親需立下具結：「具結人詹興洪今與具結事，茲有子天佑，情願送赴憲局，帶往花旗國肄業。學習機藝回來之日，聽從中國差遣，不得在外國逗留生理。倘有疾病生死，各安天命，此結是實。童男，詹天佑，年12歲，身中，面圓白，徽州府婺源縣人氏。曾祖父賢。祖世鸞。父興洪。同治十一年三月十五日。詹興洪（親筆畫押）。」

容閎為廣東香山南屏鎮（今屬珠海）人，字達萌，號純甫。1841年進澳門馬禮遜學堂，1847年，隨該校校長到美國。1854年，從耶魯大學畢業，是中國最早的留美畢業生。第二年他回到國內，經人介紹於1863年入曾國藩幕府。容閎利用種種機遇勸說興辦留學，並具體提出派幼童赴美的計劃，自願帶隊出國。他的建議得到曾國藩贊同，並向清廷奏報。曾國藩奏派上海廣方言館總教習陳蘭彬為留美學生委員（監督），容閎為副委員（副監督），並制定具體章程。決定挑選12至15歲兒童赴美，每年30名，學期15年。1872年8月12日，第一批30名幼童乘輪船離開上海，前往美國。1873年、1874年、1875年，第二、三、四批各30人相繼赴美，這是中國第一次由政府主辦的留學事業。1872至1875年間，容閎受命主持選派幼童赴美，任留美學生監督。不久，任清政府駐美副公使。回國後，因參與「戊戌維新」被清政府懸賞通緝，出逃香港，後再赴美。1912年在美國病故。

為使幼童生活有人照料，又能及早打破語言障礙，他們到美國後，被安置在美國人家中，每家二三人。到能聽、能懂英語講課時，才進入當地小學、中學，然後分別報考高等學校，接受專門教育。這些幼童很快適應當地的飲食起居，有人學會了鋼琴西樂，有人學會了棒球、籃球，他們與所住家庭建立起深厚感情。幼童除了學習英文及基礎課程外，還要學習中文。每三個月分批到固定地點學習漢語，讀四書五經，拜孔子牌位。他們優異的成績和良好品德，得到美國學校和家庭的好評。幼童很快適應美國生活，他們的穿戴、舉止和價值觀，不可避免地也發生較大變化。例如，美國學校注重體育運動，傳統的中式長袍馬褂使他們感到極不方便，特別是頭上的辮子，總是被人嘲笑，在運動中妨礙成績。有些學生就悄悄把辮子剪了。他們的變化引起中國留學監督陳蘭彬不滿，他甚至反對學生參加體育運動。他向國內匯報，這些學生揚棄中國文化，並強烈攻擊為學生辯護的容閎。他的匯報引起國內守舊勢力的共鳴，清政府最終在1881年，決定分批撤回留學生，幼童留學計劃就此夭折。

福州船政學堂開辦數年後，仍滿足不了人才培訓的需要，於是決定派學生出國留學。1877年春，挑選出學習製造者14名、藝徒4名、學駕駛者12名，到英、法兩國留學，學習製造槍炮、火藥、魚雷、駕駛、營造等。這些學生成績優異，回國後成為福州船政局和北洋水師的骨幹。1881、1886這兩年，又派出第二及第三批學生。第三批所學專業有所擴大，如化學、物理、英語、法語、拉丁語、法理學、國際公法、海軍公法等。船政留學生對中國造船業和海軍建設起了重要作用。船政局後來主要依靠留學生主持，參加甲午黃海之戰的12艘北洋水師船艦的管帶，有半數是首屆船政留學生。